直流無刷伺服電機運動控制系統(tǒng)設計和運用

MotionChip的特點

MotionChip是瑞士Technosoft公司開發(fā)的一種高性能且易于使用的電機運動控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外圍設置了許多電機伺服控制專用的可編程配置管腳。TMS320C240是美國TI公司推出的電機控制專用16位定點數(shù)字信號處理器，其具有高速的運算能力和專為電機控制設計的外圍接口電路。MotionChip很好的利用了該DSP的優(yōu)點，并集成多種電機控制算法于一身，以簡化用戶設計難度為目的，設計成為一種新穎的電機專用控制芯片。MotionChip有著集成全部必要的配置功能在一塊芯片的優(yōu)點，它是一種為各種電機類型進行快速和低投入設計全數(shù)字、智能驅動器的理想核心處理器。具有如下特點：

·可用于控制5種電機類型：直流有刷/無刷電機、交流永磁同步電機、交流感應電機和步進電機，且易于嵌入到用戶的硬件結構中；

·可以選擇獨立或主從方式工作，并可根據(jù)需要，設置成通過網絡接口進行多伺服控制器協(xié)同工作；

·全數(shù)字控制環(huán)的實現(xiàn)，包括電流/轉矩控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)；

·可實現(xiàn)各種命令結構：開環(huán)、轉矩、速度、位置或外環(huán)控制，步進電機的微步進控制，并可實現(xiàn)控制結構的配置，其中包括交流矢量控制；

·可以配置使用各種運動和保護傳感器（位置、速度、電流、轉矩、電壓、溫度等）；

·使用各種通訊接口，可以實現(xiàn)RS232/RS485通訊、CAN總線通訊；

·基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平臺，強大功能的IPM Motion Studio 高級圖形編程調試軟件：可通過RS232快速設置，調整各參數(shù)與編程運動控制程序。其功能強大的運動語言包括：34種運動模式、判決、函數(shù)調用，事件驅動運動控制、中斷。因此便于開發(fā)和使用。

·可以通過動態(tài)鏈接庫TMLlib,利用VC/VB實現(xiàn)PC機控制；也可以與Labview和PLC無縫連接，通過動態(tài)鏈接庫，用戶可以在上層開發(fā)電機的控制程序，研究控制策略。

運動控制系統(tǒng)設計

本文是以MotionChip為控制器核心，直流無刷電機/有刷電機/永磁同步電機為控制對象進行伺服驅動器設計。設計指標為：適應12—36V寬范圍直流母線電壓輸入，工業(yè)標準5V邏輯電源輸入，最大輸出電流3A，峰值電流6A。在進行伺服控制器設計之前，根據(jù)MotionChip的特點和伺服電機的特性進行總體功能設計如下：

·采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)結構；三環(huán)都采用PID調節(jié)器；電機參數(shù)設置采用計算機輔助計算和工程整定相結合的辦法；

·具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人機接口進行獨立參數(shù)設置，有網絡通訊接口進行獨立參數(shù)設置，有網絡通訊接口方便外部監(jiān)視和控制。

伺服系統(tǒng)的總體系統(tǒng)結構可以分為：MotionChip最小系統(tǒng)、驅動電路、電流反饋檢測、外部控制接口、通訊接口等，如圖1所示。伺服驅動器的硬件結構分為2個主要部分：驅動電路部分：主要包括逆變橋、前置驅動、電流檢測；

控制電路部分：包括反饋檢測、外部控制接口、通訊接口、MotionChip最小系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)設計

在MotionChip的基本系統(tǒng)中，選用美國Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650來存儲TML運動指令。該EEPROM的存儲容量為8K×8bit，最大時鐘頻率可達5MHz。由于在MotionChip正常運行時指令訪問時間21ns，所以為了使程序高速有效的運行，增加了2片32可×8bit的靜態(tài)RAM：ASC256-12JC，該SRAM的存取時間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取時間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取數(shù)據(jù)時不需要插入等待狀態(tài)。并且該SRAM具有較低的活躍功耗，在待機狀態(tài)時可自動進入更加低功耗的節(jié)能狀態(tài)。MotionChip芯片本身提供了電機控制專用的接口，包括6路PWM信號，在使用中可以配置作為三相電機逆變橋的驅動信號。當保護中斷PDPINT有效或電機使能信號ENABLE無效時，6路PWM信號立即進入高阻狀態(tài)，使逆變橋全部截至，電機停轉。另外，MotionChip為每個PWM輸出對提供了可編程死區(qū)時間設置（0—102μs），所以不需要外部的死區(qū)邏輯電路。碼盤反饋信號接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脈沖信號，ENCZ是碼盤清零信號。MotionChip可以對ENCZ和ENCB信號進行四倍頻和辨向，然后送入增量計數(shù)器計數(shù)產生電機的位置信號，碼盤清零信號ENCZ可對計數(shù)誤差進行修正。電機霍爾反饋信號HALL1，HALL2，HALL3，是為直流無刷電機/永磁同步電機進行定位磁極設計的。其它重要引腳如DIR、PULSE直接作為電機脈沖指令的輸入接口。LSP，LSN可用來擴展作為運動系統(tǒng)左、右限位事件的捕捉輸入。MotionChip有2個10位的A/D轉換器，每個都內建了采樣保持電路，最快采樣速率可達10kHz。模擬信號的輸入范圍通過MotionChip參考電平輸入管腳VREFLO和VREFHI確定。MotionChip可以工作在獨立運行和檢測引腳AUTORUN進行方式選擇的，該引腳接高電平，MotionChip工作在從屬方式，接低電平工作在獨立運行方式。在獨立方式的工作條件下，MotionChip上電后，選檢測到AUTORUN的低電平，進入獨立運行方式；然后自動從SPI串行EEPROM中的開始執(zhí)行TML程序。

驅動系統(tǒng)設計

　　　電機的驅動主要包括2個環(huán)節(jié)：電機PWM驅動電路和電流檢測。

　　電機的PWM驅動電路如圖2所示。本電路中，無刷直流電機采用全橋驅動，這樣可以使用電機工作于四象限（正向驅動、制動及反向驅動、制動）。驅動一個無刷直流電機需要6路PWM信號，而MotionChip的每個事件管理模塊（EV）中3個帶可編程死區(qū)控制的比較單元可以產生獨立的3對共6路PWM信號。所以在電路中，直接選用事件管理模塊B（EVB）中的比較單元來產生6路所需要的PWM信號，其輸出引腳為PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9輸出設為驅動MOSFET功率管橋路的上半橋，PWM10~PWM12輸出驅動下半橋。DSP輸出的這兩種3路PWM信號經過IR2102前置放大后分別驅動MOSFET功率管橋路的上半橋（Q1，Q3，Q5）和下半橋（Q2，Q4，Q6）進行電機的驅動。